Was ist GPS?
Was ist GPS?
1. allgemeiner Überblick über GPS
GPS steht für Global Positioning System (Globales Positionsbestimmungssystem), mit dem jeder jederzeit und überall auf der Welt Positions- und Zeitangaben erhalten kann.
2. Grundlegende Struktur von GPS
Drei-Block-Konfiguration
GPS besteht aus den folgenden drei Segmenten.
Raumsegment (GPS-Satelliten)
Eine Reihe von GPS-Satelliten wird auf sechs Umlaufbahnen um die Erde in einer Höhe von ca. 20.000 km (vier GPS-Satelliten pro Umlaufbahn) eingesetzt und bewegt sich in 12-Stunden-Intervallen um die Erde.
Kontrollsegment (Bodenkontrollstationen)
Die Bodenkontrollstationen haben die Aufgabe, die Satellitenbahn zu überwachen, zu kontrollieren und aufrechtzuerhalten, um sicherzustellen, dass die Abweichung der Satelliten von der Umlaufbahn sowie die GPS-Zeitmessung innerhalb der Toleranzgrenzen liegen.
Nutzersegment (GPS-Empfänger)
GPS-Ortung
Zunächst wird das Zeitsignal von einem GPS-Satelliten an einen bestimmten Punkt gesendet. Anschließend wird die Zeitdifferenz zwischen der GPS-Zeit und dem Zeitpunkt, zu dem der GPS-Empfänger das Zeitsignal empfängt, berechnet, um die Entfernung zwischen dem Empfänger und dem Satelliten zu ermitteln. Das gleiche Verfahren wird mit drei weiteren verfügbaren Satelliten durchgeführt. Es ist möglich, die Position des GPS-Empfängers aus der Entfernung zwischen dem GPS-Empfänger und drei Satelliten zu berechnen. Die mit dieser Methode ermittelte Position ist jedoch nicht genau, da die berechnete Entfernung zwischen den Satelliten und dem GPS-Empfänger einen Fehler aufweist, der auf einen Zeitfehler der im GPS-Empfänger eingebauten Uhr zurückzuführen ist. Bei einem Satelliten wird eine Atomuhr eingebaut, um die Zeitinformationen vor Ort zu generieren, aber die Zeit, die von den in den GPS-Empfängern eingebauten Uhren generiert wird, ist nicht so genau wie die Zeit, die von den Atomuhren der Satelliten generiert wird. Hier kommt der vierte Satellit ins Spiel: Die Entfernung zwischen dem vierten Satelliten und dem Empfänger kann zur Berechnung der Position im Verhältnis zu den Positionsdaten verwendet werden, die durch die Entfernung zwischen drei Satelliten und dem Empfänger erzeugt werden, wodurch die Fehlermarge bei der Positionsgenauigkeit verringert wird.
Die nachstehende Abbildung 1-3 zeigt ein Beispiel für eine zweidimensionale Positionsbestimmung (Positionserfassung anhand von zwei vorgegebenen Punkten). Wir können unseren Standort durch Berechnung der Entfernung von zwei gegebenen Punkten bestimmen und gleichzeitig mit dem genauen Zeitsignal der Satelliten kalibrieren. Das GPS ist das System, das durch Multiplikation der gegebenen Punkte und deren Ersetzung durch GPS-Satelliten in dieser Abbildung dargestellt werden kann.
GPS-Signale
GPS-Satelliten senden mehrere Frequenzen aus, wie L1 (1575,42 MHz), L2 (1227,60 MHz) und L5 (1176,45 MHz). Das typische Signal, das ausgesendet wird, ist der C/A-Code, der für kommerzielle Zwecke genutzt werden kann; der C/A-Code besteht aus einem Erkennungscode für jeden Satelliten, und gleichzeitig werden Informationen gesendet, die als Navigationsnachricht bezeichnet werden. Die Daten der Umlaufbahn jedes Satelliten werden Ephemeriden* genannt, und die Daten der Umlaufbahn aller Satelliten werden Almanach** genannt. Die Navigationsmeldungen werden mit einer Geschwindigkeit von 50 Bit pro Sekunde gesendet. Anhand dieser Datensammlung berechnet der GPS-Empfänger die Entfernung zwischen den Satelliten und dem Empfänger, um Positionsdaten zu erzeugen. In Abb. 1-4 werden die Einzelheiten des C/A-Codes und in Abb. 1-5 die Navigationsmeldungen beschrieben.
*Die Ephemeriden liefern die genaue Umlaufbahn des Satelliten selbst, die verwendet werden kann, um den genauen Standort des Satelliten zu bestimmen, der für die Berechnung der Positionsdaten erforderlich ist. Es handelt sich dabei um einheimische Daten, die nur von jedem der GPS-Satelliten mit einer spezifischen Identifikationsnummer verwendet werden.
**Der Almanach kann als vereinfachte Ephemeridendaten betrachtet werden und enthält grobe Bahn- und Statusinformationen für alle Satelliten im Netz. Er wird verwendet, um verfügbare Satelliten zu lokalisieren, damit ein GPS-Empfänger die aktuelle Position und Uhrzeit ermitteln kann. Es dauert 12,5 Minuten, um alle Almanachdaten zu empfangen.
Was ist der C/A-Code?
Das L1-Signal der GPS-Satelliten ist mit dem C/A-Code, einem Pseudozufallscode, phasenmoduliert. Der Pseudozufallscode wird auch als Pseudozufallsrauschcode bezeichnet, der auch als Goldcode bekannt ist. Wie in Abb. 1-4 dargestellt, ist der C/A-Code eine Folge von digitalen Signalen “1” und “0”. Im GPS bilden 1.023 aufeinanderfolgende Muster eine Sequenz, und diese Sequenz wiederholt sich dann ständig.
Wie funktioniert die GPS-Technologie?
Wie funktioniert die GPS-Technologie?
Satelliten stecken hinter diesem modernen Wunderwerk
Das Global Positioning System (GPS) wird durch eine Gruppe von Satelliten in der Erdumlaufbahn ermöglicht. Die Satellitenkonstellation sendet präzise Signale aus, die es den GPS-Empfängern am Boden ermöglichen, Standortinformationen zu berechnen und den Benutzern anzuzeigen. Eigentümer des GPS sind die Vereinigten Staaten.
Durch die Erfassung der Satellitensignale sind GPS-Empfänger in der Lage, nach dem mathematischen Prinzip der Trilateration geografische Standorte genau zu bestimmen. Mit zusätzlicher Rechenleistung und Speicherplatz wie Straßenkarten, Points of Interest und topografischen Informationen können GPS-Empfänger Standort-, Geschwindigkeits- und Zeitinformationen in ein nützliches Anzeigeformat umwandeln.
Die Erfindung und Entwicklung von GPS
GPS wurde ursprünglich vom Verteidigungsministerium der Vereinigten Staaten (DoD) als militärische Anwendung entwickelt. Das System ist seit Anfang der 1980er Jahre aktiv, wurde aber erst Ende der 1990er Jahre für Zivilisten verfügbar. Seitdem hat sich GPS zu einem milliardenschweren Wirtschaftszweig entwickelt, der eine breite Palette von Produkten, Dienstleistungen und internetbasierten Hilfsmitteln anbietet. Wie die meisten Technologien wird auch dieses System ständig weiterentwickelt. Obwohl es ein echtes modernes Wunderwerk ist, sind sich die Ingenieure seiner Grenzen bewusst und arbeiten kontinuierlich daran, sie zu überwinden.
Eine internationale Anstrengung
Das von den USA betriebene GPS ist das weltweit am meisten genutzte weltraumgestützte Satellitennavigationssystem. Die russische Satellitenkonstellation GLONASS bietet ebenfalls einen globalen Satellitennavigationsdienst. Einige GPS-Geräte für Endverbraucher nutzen beide Systeme, um die Genauigkeit zu verbessern und die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass genügend Standortdaten erfasst werden.
Interessante Fakten über GPS
Die Funktionsweise von GPS ist für viele Menschen, die es täglich benutzen, ein Rätsel. Diese Punkte werden Sie vielleicht überraschen:
– Das militärische GPS verwendet zwei Frequenzen, während das zivile nur eine verwendet. Dies erhöht die Genauigkeit. GPS-Geräte mit zwei Frequenzen sind auch für Zivilisten erhältlich, aber ihre Kosten und Größe machen sie unpraktisch.
– Die US-Regierung führt derzeit ein milliardenschweres Verbesserungs- und Modernisierungsprogramm durch.
– Die US-Steuerzahler finanzieren die weltweiten GPS-Dienste, hauptsächlich über das Verteidigungsministerium. Der Haushalt 2017 belief sich auf etwa 900 Millionen Dollar.
– Ein gemeinsames amerikanisches ziviles und militärisches Gremium, das National Executive Committee for Space-Based Positioning, Navigation, and Timing, überwacht das GPS. Es wird von der US-Luftwaffe gewartet und betrieben.
– Im Jahr 2017 umkreisen 24 GPS-Satelliten die Erde.
– GPS ist unverzichtbar für Geräte, Annehmlichkeiten und Dienstleistungen, die wir tagtäglich als selbstverständlich ansehen, z. B. Mobiltelefone, Uhren, Computer, Wettervorhersagen, Energieversorgung, Navigation und Notfall-/Katastrophenschutz.
– Viele Branchen sind auf die Genauigkeit von GPS angewiesen, darunter das Bankwesen, das Baugewerbe, die Luftfahrt, die Schifffahrt und die Landwirtschaft.
– GPS ist für die nationale Sicherheit von entscheidender Bedeutung. Alle neuen militärischen Geräte sind mit GPS ausgestattet.
– GPS versorgt die Luft-, See- und Straßentransportsysteme der Welt mit Informationen.
Funktionen
– Funktioniert bei allen Wetterbedingungen, rund um die Uhr und rund um den Globus genau.
– Keine Abonnementgebühr für die Nutzung von GPS-Signalen.
– Im Allgemeinen bis auf 15 Meter genau. Neuere Modelle mit WAAS-Signalen (Wide Area Augmentation System) sind bis auf drei Meter genau.
Beschränkungen
– Kann durch dichte Wälder, Schluchten, Wolkenkratzer, Brücken oder Mauern blockiert werden, was eine genaue GPS-Navigation erschwert.
– Funktioniert nicht gut in Gebäuden oder unterirdischen Räumen.
– Satellitenwartung, Funkstörungen und Sonnenstürme können Lücken in der Abdeckung verursachen.
EINE KURZE GESCHICHTE DES GPS
EINE KURZE GESCHICHTE DES GPS
Haben Sie schon einmal eine Smartphone-App benutzt, um den Weg zu einem neuen Restaurant zu finden oder den Verkehr auf dem Weg zu vermeiden? Haben Sie schon einmal eine App benutzt, um einen Mitfahrdienst anzufordern? Wie wäre es, wenn Sie Ihre Kilometer bei einem schnellen Lauf aufzeichnen würden? Von so einfachen Dingen wie der Zeitanzeige auf Ihrem Telefon oder Computer bis hin zu so komplexen Dingen wie selbstfahrenden Autos werden diese modernen Notwendigkeiten und Luxusgüter von etwas angetrieben, das die meisten Menschen als selbstverständlich ansehen: dem Global Positioning System (GPS).
Die Technologien, aus denen das GPS besteht, haben sich so tief in den Alltag der Menschen integriert, dass man sich eine Welt ohne sie kaum noch vorstellen kann, aber es hat eigentlich relativ bescheidene Anfänge. Tatsächlich hat die Aerospace Corporation eine entscheidende Rolle bei der Weiterentwicklung des Konzepts und der Technologie gespielt und unterstützt diese wichtigen Systeme auch heute noch.
Hier finden Sie einen kurzen Überblick darüber, wie die weltraumgestützte Navigation zu einer so grundlegenden Technologie für unser tägliches Leben wurde.
Ein Kind des Weltraumrennens
Im Jahr 1957 startete Russland den Sputnik, den ersten Satelliten, der die Erde erfolgreich umkreiste. Während Sputnik die Erde umkreiste, sendete der Satellit ein Funksignal aus. Eine Gruppe von Wissenschaftlern des Applied Physics Laboratory (APL) der Johns Hopkins University beobachtete ein seltsames Phänomen: Die Frequenz der von Sputnik gesendeten Funksignale nahm zu, je näher der Satellit kam, und die Signalfrequenz nahm ab, je weiter er sich entfernte.
Diese Verschiebung ist in der Physik als Dopplereffekt bekannt. Durch die Ausnutzung des Dopplereffekts des Sputniks konnten die Wissenschaftler die Bewegung des Satelliten vom Boden aus mit Hilfe von Funksignalen verfolgen. Später erweiterten sie die Idee: Wenn der Standort eines Satelliten vom Boden aus über die Frequenzverschiebung seines Funksignals bestimmt werden konnte, dann konnte auch der Standort eines Empfängers am Boden anhand seiner Entfernung zum Satelliten ermittelt werden.
1958 nutzte die Advanced Research Projects Agency (ARPA) dieses Prinzip, um Transit zu entwickeln, das erste globale Satellitennavigationssystem der Welt. Der erste Satellit für Transit startete 1960, und das von der John Hopkins University APL entwickelte Konzept war in der Lage, militärischen und kommerziellen Nutzern, einschließlich der Raketen-U-Boote der Navy, Navigation zu bieten. Das Programm wurde Mitte der 1960er Jahre an die Marine übergeben, und 1968 war eine Konstellation von 36 Satelliten voll einsatzfähig. Die Transit-Technologie lieferte eine Genauigkeit von bis zu zehn Metern und wird für die “Verbesserung der Genauigkeit der Karten der Landgebiete der Erde um fast zwei Größenordnungen” verantwortlich gemacht, wodurch die Akzeptanz der Satellitennavigation erhöht wurde.
Transit war 28 Jahre lang in Betrieb, bis das Verteidigungsministerium es 1996 durch das heutige Global Positioning System (GPS) ersetzte.
GPS-Innovation vorantreiben
Dr. Ivan Getting, Gründungspräsident der Aerospace Corporation, hatte die Vision eines leistungsfähigeren und genaueren Systems, das er als “Leuchtturm am Himmel” betrachtete. Im Jahr 1963 begann Aerospace mit der Suche nach Möglichkeiten zur Erweiterung und Verbesserung eines Satellitennavigationssystems. Eine von Phillip Diamond geleitete Studie von Aerospace aus dem Jahr 1963 empfahl ein Konzept mit der Bezeichnung 621-B, und dank der Energie und Weitsicht von Getting gründete die Air Force ein neues Satellitennavigationsprogramm mit der Bezeichnung 621-B. Weitere Systemstudien der Luft- und Raumfahrtingenieure James Woodford und Hideyoshi Nakamura, die 1966 abgeschlossen wurden, empfahlen eine Architektur, bei der die Messungen von vier Satelliten den Bedarf an hochgenauen Uhren in den Empfängern überflüssig machen würden. Auf diese Weise ließen sich die hohen Kosten erheblich senken, was die Einführung der Technologie vorantrieb, da sie wirtschaftlich realisierbar wurde.
Die Architektur sah vor, dass jeder Satellit mit einer eigenen Uhr ausgestattet wird, die in regelmäßigen Abständen durch Signale von Bodenstationen aktualisiert wird und die Positionen der GPS-Satelliten mit hoher Präzision und Genauigkeit überwacht. Die Entscheidung, die Uhren vom Bodenempfänger auf den Satelliten zu verlagern, würde später massive Auswirkungen haben: Ohne die Notwendigkeit, eine Uhr am Boden zu haben, konnten die GPS-Geräte verkleinert werden, so dass sie schließlich in ein Handy passten.
Im weiteren Verlauf der 1960er Jahre wurde die Entwicklung von GPS durch technologische Fortschritte wie Festkörpermikroprozessoren, Computer und Techniken zur Nutzung der Bandbreite unterstützt. Die Entwicklung von Atomuhren am Naval Research Laboratory (NRL) Naval Center for Space Technology führte zu Fortschritten bei einem satellitengestützten Navigationssystem, das als Timation (Time Navigation) bekannt wurde. Die ersten beiden Timation-Satelliten, die 1967 und 1968 gestartet wurden, waren mit Kristalloszillator-Uhren ausgestattet. Ein dritter Satellit, der 1974 gestartet wurde, war der erste, der mit einer Atomuhr ausgestattet war, was die Genauigkeit erheblich verbesserte und eine dreidimensionale Standortabdeckung ermöglichte.
Den Weg nach vorn ebnen
Im November 1972 wurde Air Force Col. Bradford Parkinson mit der Leitung des Satellitennavigationsprogramms betraut. Parkinson leitete ein Team bei der Entwicklung eines Konzepts, das die besten Aspekte von TRANSIT, Timation und Projekt 621-B zusammenfasste. Dieser überarbeitete Systemvorschlag erhielt im Dezember 1973 die Genehmigung des Verteidigungsministeriums für ein passives 1-Weg-Entfernungsmesssystem mit 24 Satelliten, das Atomuhren auf mittleren Erdumlaufbahnen nutzte, um eine 12-Stunden-Periode zu liefern.
Die erste Umsetzung dieses Konzepts begann 1974, als die US-Luftwaffe mit der Entwicklung des ersten einer Reihe von Navstar-Satelliten, des Bodenkontrollsystems und verschiedener Arten von militärischer Benutzerausrüstung begann.
Im Februar 1978 startete der erste Navstar/GPS-Entwicklungssatellit Block I, und bis Ende 1978 wurden drei weitere Navstar-Satelliten gestartet. Zwischen 1977 und 1979 wurden mehr als 700 Tests durchgeführt, in denen die Ingenieure der Luft- und Raumfahrt die Genauigkeit des integrierten Raumfahrt-, Kontroll- und Nutzersystems bestätigten. Weitere GPS-Block-I-Demonstrationssatelliten wurden in den frühen 1980er Jahren gestartet.
Was ist GPS? Funktionsweise, Merkmale, Geschichte und Entwicklung
Was ist GPS? Funktionsweise, Merkmale, Geschichte und Entwicklung
Wahrscheinlich waren Sie schon einmal in dieser Situation. Sie denken, Sie wüssten genau, wohin Sie gehen, und schreiten zuversichtlich an einem unbekannten Ort voran. Doch nachdem Sie ein paar Mal um den Block gebogen sind, scheint Ihre Überzeugung ein wenig zu schwinden, und ein paar Minuten später wissen Sie, dass Sie sich hoffnungslos verlaufen haben. Seit der Einführung des Globalen Positionsbestimmungssystems (GPS) im Jahr 1995 hat die Technologie Menschen aus ähnlichen Situationen gerettet.
Gegenwärtig verlassen sich immer mehr Menschen auf die GPS-Technologie, um sicher an ihr Ziel zu gelangen, abgesehen von anderen Zwecken, die durch den Einbau von GPS in mobile Geräte erleichtert werden.
GPS ist ein Netz von mehr als 30 Navigationssatelliten, die die Erde umkreisen. Ursprünglich von der US-Regierung für militärische Navigationszwecke entwickelt, wird dieses System heute von jedem genutzt, der ein GPS-Gerät besitzt.
Überall auf der Erde sind mindestens vier Satelliten zu jeder Zeit “sichtbar”. In regelmäßigen Abständen sendet jeder Satellit Angaben zu seiner aktuellen Zeit und Position. Diese Signale, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, werden von unserem GPS-Empfänger aufgefangen, der anhand der Empfangsdauer der Nachrichten berechnet, wie weit die einzelnen Satelliten entfernt sind.
GPS kann bei jedem Wetter, überall auf der Welt und 24 Stunden am Tag ohne Unterbrechung funktionieren. Es kann problemlos ohne Abonnement oder Einrichtungsgebühren funktionieren.
Geschichte von GPS
Das Unternehmen Raytheon entwickelte die Technologie für GPS, als die US-Luftwaffe den Bedarf an einem genauen Leitsystem erkannte. Im Jahr 1960 verließ Dr. Ivan Getting, ein Wissenschaftler, der bei Raytheon arbeitete, seine Stelle und begann mit der Entwicklung des Global Positioning System. Zusammen mit einer Gruppe von Wissenschaftlern und Raumfahrtingenieuren entwickelte er das Konzept des dreidimensionalen GPS.
und Raumfahrtingenieuren.
Im Jahr 1957 startete die damalige UdSSR ihren allerersten Satelliten “Sputnik” inmitten des Weltraumwettlaufs und des Kalten Krieges, der das Land erschütterte. US-Wissenschaftler begannen mit der Beobachtung von Sputnik und stellten fest, dass die Umlaufbahn des Satelliten anhand der Veränderungen seiner Funkfrequenz mit Hilfe des Dopplereffekts verfolgt werden kann. Der Doppler-Effekt wurde früher verwendet, um zu erklären, warum sich die Tonhöhe der Hupe eines Autos aufgrund der Änderung seiner Geschwindigkeit ändert.
1960 führte die US-Marine mit Hilfe der durch die Sputnik-Verfolgung gewonnenen Informationen und Kenntnisse TRANSIT ein, das erste Satellitennavigationssystem, das die Führung der U-Boot-Flotte der Marine mit ballistischen Raketen unterstützen sollte.
Später, im Jahr 1967, wurde von der US-Marine die Timation-Technik entwickelt. Dieses System nutzte eine hochgradig konsistente, synchronisierte Uhr im Satelliten, eine Technik, von der GPS abhängig ist. Die ersten Atomuhren wurden 1974 in die Umlaufbahn gebracht.
Die Entwicklung erfolgte schrittweise, und dem US-Militär wurde der Start der ersten vier GPS-Satelliten bis Ende 1978 angerechnet. Die GPS-Technologie war nur für das US-Militär zugänglich, bis 1983 die Notwendigkeit entstand, ihre Nutzung auf die Zivilbevölkerung auszudehnen, was auf die Auswirkungen einer Tragödie zurückzuführen war, die sich zu dieser Zeit ereignete. Ein koreanisches Zivilflugzeug mit 269 Passagieren drang irrtümlich in den sowjetischen Luftraum ein und wurde abgeschossen, wobei alle Passagiere an Bord ums Leben kamen. Ein wirklich tragischer Vorfall!
Als Reaktion auf diesen bedauerlichen Vorfall erließ Präsident Ronald Reagan eine Richtlinie, die der ganzen Welt freien Zugang zur GPS-Technologie verschaffte.
Der erste moderne Satellit wurde am 14. Februar 1989 gestartet, und das globale Ortungssystem wurde am 17. Juli 1995 fertiggestellt.
Merkmale dieses Systems
Es besteht aus einer Konstellation von vierundzwanzig 2.000-Pfund-Satelliten, die sich alle 12 Stunden in einer Höhe von 12.000 Meilen über der Erde um die Erde bewegen.
Die Satelliten übermitteln ihren Standort und die genaue Zeit, zu der das Signal zur Erde gesendet wurde, über Funksignale und indem sie diese Informationen aus vier oder mehr Satellitensignalen zusammenfassen,
GPS-Empfänger können ihre eigene Geschwindigkeit, ihren Standort und ihre Höhe mit großer Perfektion bestimmen – in der Regel bis auf wenige Meter oder sogar weniger.
Die Entwicklung von GPS
Heute verändert die GPS-Technologie die Art und Weise, wie wir leben und kommunizieren, und ihre erfolgreichen Anwendungen beeinflussen unser aller Leben auf ganz besondere Weise. Die Entwicklung dieser Technologie ist ein allmählicher Prozess, der viele verschiedene Bereiche menschlicher Aktivitäten verändert. Sehen wir uns nun an, wie sie sich schrittweise entwickelt hat.
1972: GPS wurde zunächst von der US Air Force eingesetzt und durch Navstar erweitert.
1983: Es wurde von der US-Regierung für den öffentlichen Gebrauch und Verbrauch zugelassen.
1994: Zu diesem Zeitpunkt nutzte das US-Militär die GPS-Technologie in großem Umfang.
1996: Fußgänger begannen, GPS für die Navigation zu nutzen.
2000: Die zivile Nachfrage nach der GPS-Technologie stieg, als das US-Militär seine Praxis der absichtlichen Unschärfe der Signale aus Sicherheitsgründen einstellte
2006: Soziale Netzwerke begannen, diese Technologie durch Einchecken, Angabe von Restaurantstandorten usw. zu integrieren.
2014: GPS wird zum Standard in allen Mobiltelefonen und neuen Autos, wobei die Mehrheit der Smartphone-Nutzer verschiedene Arten von GPS-Technologie verwendet.
Heute verwenden 4 von 6 Smartphone-Nutzern eine Art von GPS-Technologie.